duoPIX^TM X-ray Imaging Sensor Composing of Multiple Thin Film Transistors in a Pixel for Digital X-ray Detector

픽셀내 다수의 박막트랜지스터로 구성된 듀오픽스^TM 엑스선 영상센서 제작

Abstract

In order to maximize dynamic range and to minimize image lag in digital X-ray imaging, diminishing residual parasitic capacitance in photodiode in pixels is critically necessary. These requirements are more specifically requested in dynamic X-ray imaging with high frame rate and low image lag for industrial 2D/3D automated X-ray inspection and medical CT imaging. This study proposes duoPIX^TM X-ray imaging sensor for the first time that is composed of reset thin film transistor, readout thin film transistor and photodiode in a pixel. To verify duoPIX^TM X-ray imaging sensor, designing duoPIX^TM pixel and imaging sensor was executed first then X-ray imaging sensor with 105 ㎛ pixel pitch, 347 mm × 430 mm imaging area and 3300 × 4096 pixels (13.5M pixels) was fabricated and evaluated by using module tester and image viewer specifically for duoPIX^TM imaging sensor.

디지털 엑스레이 디텍터 영상 취득에 있어 동적 범위를 최대화하고 영상지연을 최소화하기 위해서는 엑스레이 영상센서의 픽셀내 포토다이오드에 존재하는 잔류 정전기생용량을 빠르고 완전하기 제거하는 것이 매우 중요하다. 이러한 요구사항은 특히 고속 프레임과 낮은 영상지연이 필요한 산업용 2D/3D 자동화 엑스레이 검사와 의료용 CT 엑스레이 디텍터에 특별히 요구된다. 본 연구는 리셋 박막트랜지스터, 리드아웃 박막트랜지스터 그리고 포토다이오드로 픽셀이 구성된 듀오픽스^TM 엑스레이 영상센서를 처음으로 제안한다. 듀오픽스^TM 엑스레이 영상센서의 구동을 검증하기 위해 105 ㎛의 픽셀 사이즈, 347 mm × 430 mm의 영상영역 그리고 3300 × 4096의 픽셀 (13.5M pixels)을 갖는 듀오픽스^TM 엑스레이 영상센서를 설계, 제작하여 모듈테스터와 영상취득 프로그램을 통해 영상을 취득하였다.

I. INTRODUCTION

인체용뿐만 아니라 산업용 비파괴 검사에 널리 사용되는 디지털 엑스레이 디텍터는 엑스레이를 가시광선으로 변환해 주는 섬광체와 그 가시광선을 영상화하는 영상센서가 주요 소재ㆍ부품으로 이후 구동회로, 하드웨어, 소프트웨어 등에 대한 개발을 통해 완성된다^[1]. 엑스레이 디텍터의 성능을 좌우하는 핵심 구성 부품은 영상센서로 그 단위 픽셀은 수광부인 포토다이오드와 스위칭 소자인 박막트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기반의 설계와 공정 기술이 적용된다.

박막트랜지스터 기반의 영상센서는 1980년대 중반 미국의 제록스(Xerox, 현 Dpix)에 의해 최초로 개발된 이후 이를 적용한 디지털 엑스레이 디텍터의 상용화가 미국의 베리안 메디컬 시스템스(Varian Medical Systems, 현 Varex Imaging) 등에 의 해 1990년대 중반부터 시작되었다^[2].

현재까지 상용화된 엑스레이 디텍터에 사용되는 영상센서의 픽셀 구성은 모두 한 개의 박막트랜지스터와 포토다이오드로 구성된 통상 1세대 또는 2세대 영상센서로 대면적 의료용 정지영상 구현에 대부분 사용되고 있다^[3]. 하지만 1세대 및 2세대 영상센서는 다양한 피사체의 밀도와 재료, 그리고 두께로 인해 의료용 대비 높은 해상력과 검출능, 즉 높은 감도(sensitivity)와 대조(contract)를 요구하는 산업용 비파괴 검사에 적용하기에는 분명한 한계가 있다. 특히 높은 영상지연(Imgae lag) 등으로 인해 고속 프레임을 요구하는 동영상 엑스레이 디텍터 적용에 많은 어려움을 겪고 있다.

이에 본 연구를 통해 기존 대비 높은 해상력을 구현하면서도 높은 감도와 대조, 그리고 낮은 영상 지연을 구현하기 위해 다수의 박막트랜지스터와 포토다이오드로 구성된 3세대 엑스레이 영상센서(duoPIX^TM)를 설계, 제작하여 이의 적용 가능성을 제시하고자 한다^[4].

II. MATERIAL AND METHODS

현재 박막트랜지스터 기반의 모든 엑스레이 디텍터에 적용하고 있는 영상센서의 픽셀과 주변 회로에 대한 구성은 Fig. 1과 같으며 엑스레이 영상센서의 픽셀 구성은 섬광체로부터의 가시광선을 광전 변환하는 포토다이오드와 이를 스위칭해 리드아웃 IC로 픽셀 정보를 보내는 리드아웃 박막트랜지스터로 구성되어 있다.

Fig. 1. Circuit diagrams of conventional X-ray imaging sensor.

하지만 Fig. 2와 같이 포토다이오드에는 상존 내지는 전 프레임에서 완전하게 제거되지 않은 기생 정전용량이 항시 존재하므로 높은 다크 오프셋(Dark Offset)으로 인한 포토다이오드의 감도와 대조를 저하시키는 낮은 동적범위(Dynamic Range)를 갖게 된다. 동적범위는 엑스레이 조사된 레벨과 다크 오프셋 레벨의 차이로 정의된다.

Fig. 2. Schematic drawing of photodiode in a pixel showing residual parasitic capacitance for conventional X-ray imaging sensor.

높은 동적범위를 확보하기 위해서는 엑스레이 조사 전후 포토다이오드에 쌓인 기생정전용량을 완전하고 빠르게 제거해야 하는데, 기존 영상센서 설계와 구동 방법으로는 엑스선 조사 직전에 리드아웃 박막트랜지스터를 ON 상태로 놓고 끝단에 연결된 리드아웃 IC를 구동하는 방법이 유일하다. 하지만 본 방법으로는 리드아웃 IC 까지 수천 개의 라인이 겹쳐진 라인 간의 정전용량으로 인해 역시 완전하게 제거하기 어려울 뿐만 아니라 별도의 라인 노이즈 발생의 원인이 된다. 또한 포토다이오드에 쌓인 기생정전용량은 높은 영상지연율, 즉 잔상의 원인이 되어 고속 구동, 즉 동영상 엑스레이 영상 구현시 프레임 속도를 높이는데 결정적인 제한 요소로 작용한다.

본 연구에서는 포토다이오드에 쌓인 기생정전용량을 빠르고 완전하게 제거하기 위한 새로운 엑스레이 영상센서 설계와 공정, 그리고 설계 모사를 통한 인자 추출과 초기 영상 평가 결과를 제시한다.

Fig. 3은 본 연구에서 새롭게 제시한 엑스레이 영상센서 픽셀과 주변 회로 구성(duoPIX^TM)으로 포토 다이오드 수광부 외에도 리드아웃 전후 포토다이오드에 존재하는 기생정전용량을 빠르고 완전하게 제거할 목적으로 형성된 리셋 박막트랜지스터와 포토다이오드 광전 신호를 리드아웃 IC로 보낼 리드아웃 박막트랜지스터로 구성되어 있다.

Fig. 3. Circuit diagrams of duoPIX^TM X-ray imaging sensor.

Fig. 4에서 도식한 것과 같이 본 연구에서 제안한 duoPIX^TM 엑스레이 영상센서의 리드아웃 전후 각 픽셀 내 리셋 박막트랜지스터의 구동에 의해 포토 다이오드에 존재하는 기생정전용량을 빠르고 쉽게 제거 할 수 있다.

Fig. 4. Schematic drawing of photodiode in a pixel showing completely removed residual parasitic capacitance for duoPIX^TM X-ray imaging sensor.

Table 1은 본 연구에서 구현하고자 하는 duoPIX^TM 엑스레이 영상센서 설계와 공정기술을 적용한 35 cm × 43 cm 영상 패널의 주요 인자를 제시한 것이다.

Table 1. Parameter extraction of duoPIX^TM X-ray Imaging Sensor; mechanical, electrical and noise performance

각 인자는 AIM-SPICE; TFT Modeling을 이용하여 단위 TFT 소자에 대한 모델링을 우선 진행하였으며, duoPIX^TM 픽셀과 전체 영상 패널의 각 인자는 biCAL Simulator를 이용하여 추출되어 영상센서 패널에 대한 설계와 공정기술에 반영하였다. 엑스레이 영상센서의 구동 속도와 영상지연 등에 직접적인 영향을 주는 TFT ON 저항, Mobility, TFT ON 시간 등은 목표 이상의 성능지표를 갖는 파라메터를 얻을 수 있었으며, 라인 노이즈와 역시 영상지연에 직접적인 영향을 미치는 Line capacitance 값 역시 목표 이하의 이상적인 파라메터를 얻을 수 있었다. 이를 통한 전체 노이즈 특성 역시 1,200e- 미만의 수준으로 이상적인 엑스레이 영상센서 패널에 각 인자를 설계 모사를 통해 얻을 수 있었다.

III. RESULT

Fig. 5는 상기 과정을 통해 얻은 파라메터를 직접 duoPIX^TM 영상센서에 대한 픽셀 설계에 반영한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 duoPIX^TM 영상센서 픽셀은 수광부인 포토다이오드와 포토다이오드에 상존 또는 이전 프레임 이후 쌓인 기생정전용량을 픽셀 리셋 구동을 통해 빠르고 완전하게 제거하기 위한 리셋 박막트랜지스터, 그리고 포토다이오드의 광전 정보를 리드아웃 IC로 스위칭을 통해 보내는 리드아웃 박막트랜지스터로 구성되어 있다. 외에도 구성된 금속 배선으로는 데이터 라인, 리드아웃 게이트 라인, 리셋 게이트 라인, 리셋 Vds 라인, 그리고 포토다이오드와 연결된 바이어스 라인으로 구성되어 있으며, 각각의 라인 폭과 두께, 그리고 층간 절연층은 상기 제시한 영상센서 모델링을 통해 얻은 값을 반영하여 설계하고 이를 공정기술에 반영하였다.

Fig. 5. Pixel design and architecture of duoPIX^TM X-ray imaging sensor (LayoutEditor).

Fig. 6은 상기 Fig. 5의 duoPIX^TM 영상센서 픽셀을 3300 × 4096, 해상도 13.5M 픽셀로 구성한 영상 센서 패널의 설계 도면이다. 상부의 리드아웃 패드는 리드아웃 IC로 연결되어 이후 아날로그-디지털 변환을 통해 각 픽셀의 영상은 14비트 또는 16비트의 디지털 영상으로 구현된다. 왼쪽의 게이트 패드는 각각의 게이트 라인을 구동하는 게이트 IC로 연결된다.

Fig. 6. Design and architecture of duoPIX^TM X-ray imaging sensor for 347 mm × 430 mm imaging (LayoutEditor).

Fig. 7은 상기 duoPIX^TM 엑스레이 영상센서를 구동하기 위해 리셋 박막트랜지스터와 리드아웃 박막트랜지스터를 구동하여 영상정보를 취득하는 과정을 도시한 것이다. 첫 단계인 픽셀 리셋 구간에서는 각각의 픽셀내 포토다이오드의 기생정전용량을 한 번에 제거하기 위하여 리셋 박막트랜지스터는 ON 상태로, 리드아웃 박막트랜지스터는 OFF 상태로 스위칭 된다. 이후 엑스레이 조사 구간에서는 리셋 박막트랜지스터와 리드아웃 박막트랜지스터는 모두 OFF 상태로 전환되며, 포토다이오드에는 가시광선에 의한 광전 전하가 쌓이게 된다. 이후 리드아웃 구간에서는 리셋 박막트랜지스터는 OFF 상태로, 리드아웃 박막트랜지스터는 ON 상태로 스위칭 되어 포토다이오드에 쌓인 영상정보가 리드아웃 IC로 보내지게 된다.

Fig. 7. Driving sequence of duoPIX^TM imaging sensor.

Fig. 8은 Fig. 6의 설계와 공정이 적용되고 Fig. 7의 구동방법을 갖는 duoPIX^TM 엑스레이 영상센서 패널의 다크 영상을 취득하기 위한 모듈 테스터를 구성하였다. 모듈테스터는 빛이 차단된 환경에서 리드아웃 IC와 게이트 구동 IC, 그리고 영상을 처리할 영상보드를 포함하여 구성하였으며, 영상 취득 프로그램인 biCAL Viewer 영상 취득 프로그램을 통해 다크 영상을 취득하였다.

Fig. 8. Photograph of a Module tester to acquire dark image for duoPIX^TM X-ray imaging sensor.

Fig. 9는 상기 모듈 테스터와 biCAL Viewer 영상 취득 프로그램을 통해 얻은 다크 영상이며, 영상 보정을 거치지 않은 영상 원본으로 duoPIX^TM 엑스레이 영상센서가 정상적으로 구동하여 영상 취득을 정상적으로 완료하였음을 보여 준다.

Fig. 9. Not calibrated dark image of duoPIX^TM X-ray imaging sensor acquired by biCAL Viewer.

IV. DISCUSSION

엑스레이 디텍터의 핵심 부품인 영상센서에 있어 다수의 박막트랜지스터로 구성된 duoPIX^TM 설계와 제작이 처음으로 시도되었다. 리셋 박막트랜지스터는 포토다이오드에 쌓여 있는 기생정전용량을 빠르고 완전하게 제거하여 동적 범위를 개선함과 동시에 영상지연율을 낮춰 동영상 프레임시 영상 잔상을 크게 줄여줄 것으로 기대한다.

본 연구의 후속과제로 본 연구에서 제시한 duoPIX^TM 엑스레이 영상센서를 적용한 디지털 엑스레이 디텍터를 제작하여 감도, 해상력, 영상지연 등 성능 평가를 진행할 예정이다.

V. CONCLUSION

본 연구에서 제시한 duoPIX^TM 엑스레이 영상센서의 설계와 공정기술 개발을 위하여 영상 센서 픽셀 및 패널 단위의 기계적, 전기적, 노이즈 인자에 대한 추출값을 AIM-SPICE와 biCAL Simulator를 통하여 얻었으며, 그 픽셀은 포토다이오드, 리셋 박막 트랜지스터, 리드아웃 박막트랜지스터로 그 단위 픽셀을 구성되었다. 궁극적으로 347 mm × 430 mm의 영상영역, 3300 × 4096 픽셀, 13.5M 픽셀의 해상력을 갖는 duoPIX^TM 영상센서 패널을 제작하여, 이후 구동회로와 영상 하드웨어, 그리고 biCAL Viewer 영상 소프트웨어 개발을 통하여 다크 영상을 취득하여 duoPIX^TM 엑스레이 영상센서가 정상적인 구동과 영상 취득이 가능함을 확인하였다.